对复杂的C11原子类型和非原子读取优化的部分更新

Question

我认为描述我的问题的简单方法是在代码中演示它，所以这里是C中一个人为的例子，以突出我有兴趣回答的问题：

// Just some complex user defined type 
typedef struct { 
    ... 
} state_t; 

typedef struct { 
    state_t states[16]; 
} state_list_t; 

static _Atomic state_list_t s_stateList; 
// For non-atomic reads 
static state_t * const s_pCurrent = &s_stateList.states[0]; 

// Called from external threads 
void get_state(state_list_t * pStateList) 
{ 
    *pStateList = atomic_load(&s_stateList); 
} 

// Only called by 'this' thread 
static void update_state(struct state_data_t const * pData) 
{ 
    state_list_t stateList = atomic_load(&s_stateList); 
    for (int i = 0; i < 16; i++) 
    { 
     // Do some updating on the data 
     do_transition(&stateList[i], pData); 
    } 
    atomic_store(&s_stateList, stateList); 
} 

// Only called by 'this' thread 
static void apply_state(state_t const * pState) 
{ 
    atomic_store(&s_stateList[0], *pState); 
} 

// Only called by this thread 
static bool check_state() 
{ 
    // Check (read) some values in the current state 
    return isOkay(s_pCurrent); 
} 

首先，我表示歉意任何语法错误，但是这应该让整个点...

前两个函数是C11原子公司的非常简单的使用，即一个线程读取另一个人正在写作的价值。我的具体问题实际上是关于最后两个函数apply_state和check_state，而这真的只是归结为这些是否可行。

在apply_state中，您可以看到它只是以原子方式更新了部分结构，特别是数组的第一个元素。我的理解是，基本上_Atomic的s_stateList的每个元素都被认为是原子的（非常像volatile），所以编译器在调用atomic_store时没有问题，但是当另一个线程从对象读取时（原子地）读取（即在get_state ），还是同步实质上等同于每次调用中的锁定/解锁相同的互斥锁？我可以看到它是如何可能的，因为它基本上是一个不同的变量（好吧，同样的地址，但如果我使用状态[1]？），它可能会导致使用不同的互斥锁。另外，如果state_t碰巧没有锁定，会发生什么？

我更加确信check_state函数在这里是可以做的事情，因为它只执行一个只能被同一个线程修改的对象的读取，但我想知道是否我错过了这里有什么。我刚刚发现，直接访问一个原子变量（我认为通过赋值或函数参数）被视为完全像对atomic_load（）或atomic_store（）的调用，所以我想知道是否为非原子读取保留私有引用是一种有价值的优化，或者如果编译器本身足够聪明，可以自行完成类似的优化。

编辑：当将非原子指针取消引用原子值时，结果未定义。

Answer 1

不，这不适合C11的原子模型，并有很好的理由。 _Atomic在语法上只是一个限定词，在语义上是一种新类型。这一点反映在这个标准允许这种类型的尺寸和对齐与基地的不同。

对于宽原子类型的情况，允许的原子类型实现是向作为锁的struct添加隐藏字段。通常，这种类型被实现为“不锁定”，其具有控制对数据的访问的一些隐藏状态（在struct内或单独地）。

该标准只能通过将访问模型拼接在一起来保证您的自由度。如果您要求您的整个数据是可访问的原子数据（即对整个数据一次不可分割的操作），那么该模型只能完全实现这一点。

访问原子对象的各个字段具有未定义的行为。这意味着如果您的平台具有特定的属性，则可以允许您访问各个字段。你必须阅读你的平台的文档，并希望得到最好的结果，特别是他们不会从一个版本（编译器，处理器......）改变为另一个版本。